基于FDS模拟的某综合楼地下一层火灾烟气控制探讨

李 岩

(唐山市消防支队，河北 唐山 063000)

基于FDS模拟的某综合楼地下一层火灾烟气控制探讨

李 岩

(唐山市消防支队，河北 唐山 063000)

针对地下建筑自身的特点，以某地下建筑为原型，运用FDS软件建立几何模型，通过模拟对该地下建筑有关防排烟的问题进行研究。选定了两个基本的火灾情景，即在未设置烟气控制系统和设置烟气控制系统两种情况下分别对该地下建筑进行火灾模拟，并结合模拟结果对烟气流动状况、火场温度等关键性指标进行了分析探讨，最后给出了合理化的建议。

地下建筑；烟气控制；FDS；消防设计

从大量的火灾事故中可以发现，烟气是阻碍人们逃生和灭火行动，导致人员死亡的主要原因之一。据统计，在建筑火灾中约75%～85%的死亡人员是由烟气致死的[1]，而在被烧死的人中，多数是先中毒窒息晕倒后被烧死的。例如，“12·26”长春夏威夷大酒店地下一层火灾，共造成20人死亡，其中18人是窒息而亡。本文选用近年来比较成熟的FDS场模拟软件，对某综合楼地下一层火灾烟气控制设计进行探讨。

1 工程概况

本文研究对象是某综合楼的地下一层，该综合楼坐落于某大城市的繁华路段，地上五层，地下一层，地面以上部分高度为20 m。地下一层的面积为669 m2(44.6 m×15 m)，其高度为3.5 m，一条狭长的内走廊横贯其中，拥有一个大会议室、一个前台接待室以及7个办公室，走廊东西两端的北侧各有一个设备室，如图1所示。该地下一层有两部通向地面的楼梯，设置为防烟楼梯间。由于地下一层主要是用于办公和会议，属于公众聚集场所，因其功能的特殊性，在进行消防设计时，既要符合相应的消防设计规范，又要综合考虑其防火设计特别是烟气控制系统对消防安全的影响[2]。

图1 综合楼地下一层平面布局

2 相关参数的确定

2.1 着火点的选定

本文选取了两种具有代表性的情况，即未设置烟气控制系统和设置烟气控制系统。两种方案的着火点都设在前台接待室靠近东侧的出口处，因为设在这里，烟气会较快地蔓延到走廊中，而且可能很快会将西侧楼梯间封闭，这种情况对于人员的逃生和救援是最不利的[3]。

2.2 火灾规模的确定

模拟采取稳态燃烧模式，火灾规模取1.0 MW，除着火点燃烧外，其余结构如墙、地板、天花板等都设为混凝土。本文模拟的时间步长取300 s，单位面积热释放速率逐渐上升时间为5.0 s。本次模拟对象是建筑的地下一层，不考虑烟气沿楼梯间向上层蔓延的情况，因此在模拟过程中，东、西两侧通向楼梯间的两个门设定为关闭状态。考虑最不利情况，即在模拟过程中，为检验防排烟设施的有效性，除通向楼梯间的门外，其余的门是完全打开的[4]。

2.3 网格尺寸的选定

综合考虑模拟精确度和计算机的配置，对于本次模拟选用的1.0 MW的火灾规模，网格大小取0.25 m。

2.4 烟气控制系统的相关参数

2.4.1 防烟分区的划分

本次模拟对象是一个面积为669 m2的地下室，根据《建筑设计防火规范》(GB 50016—2006)(以下简称《建规》)第9.4.2条的规定，一个防烟分区的最大面积不应超过500 m2。由于需要确定排烟和供气量的参数，因此必须首先考虑防烟分区的划分。出于安全和经济的考虑，以一个高度为0.8 m的挡烟垂壁为界，将该地下一层划分为东、西两个防烟分区，如图2所示。东侧防烟分区面积为367 m2，西侧防烟分区面积为302 m2，符合相关规范要求。

图2 防烟分区及排烟、送风口布局

2.4.2 挡烟垂壁高度的确定

挡烟垂壁为从顶棚下垂不小于0.5 m的固定或活动的挡烟设施,考虑到人员的活动需要，如果垂壁的下端过低，发生火灾时会妨碍人员的疏散，因此，其下缘距地面高度不应小于1.8 m。针对本文模拟对象的实际情况，可以得出该地下一层建筑(高3.5 m)挡烟垂壁高度可以在0.5～1.7 m内任意选择，综合考虑防烟和建筑美观等因素，挡烟垂壁的高度取0.8 m是符合要求的。

2.4.3 排烟口位置的确定

以上高压设备的选型均依据于《工业与民用配电设计手册》[5]，且均为目前市场上比较流通的型号，可满足动、热稳定校验等条件。综上所述，高压电气设备选型如表4所示。

根据《建规》第9.4.6条第4款规定，设置机械排烟系统的地下、半地下场所，除歌舞娱乐放映游艺场所和建筑面积大于50 m2的房间外，排烟口可设置在疏散走道。可以看出，对于该地下一层，除一条内走廊外，北侧大会议室和西侧前台接待室也需要设置排烟口。再根据《建规》第9.4.6条第3款规定，排烟口应设置在顶棚或靠近顶棚的墙面上，且与附近安全出口沿走道方向相邻边缘之间的最小水平距离不应小于1.50 m；《建规》第9.4.6条第5款规定，防烟分区内的排烟口与最远点的水平距离不应超过30.0 m。根据以上分析，该地下一层建筑的排烟口设置在如图2中的7处是符合规范要求的。

2.4.4 排烟口尺寸参数

排烟口的有效面积是指开启的流通截面积，这是其最基本的性能指标之一，是选择排烟口具体规格尺寸的依据。根据《建规》第9.4.6条第6款的规定，排烟口的风速不宜大于10.0 m·s-1。排烟口风速越大，说明单位时间内排烟机能够排出的烟气越多，为了使发生火灾时能让烟气尽可能多地从着火区域排出去，出于安全的考虑，取每个排烟机的风速为10.0 m·s-1。对于每个防烟分区来说，机械排烟口的总有效流通面积为：

式中，v是单位时间内防烟分区单位面积的排烟量，取60m3·m-2·h-1；Fi是单个防烟分区的地面面积，m2；Wy是根据排烟口有效面积计算的烟气排出速度，m·s-1，取Wy为10m·s-1。

根据计算得出，西侧防烟分区机械排烟口的总有效流通面积为(60×302)/(3600×10)=0.5m2。如图2所示，西侧防烟分区共设置3个排烟口，则每个机械排烟口的有效流通面积为0.5/3≈0.16m2，因此在模拟中可将排烟口设为3个0.40m×0.40m的矩形孔洞。同理，东侧防烟分区面积为367m2，则每个排烟口面积为0.15m2，因此在模拟中可将排烟口设为4个0.35m×0.50m的矩形孔洞。

2.4.5 送风量及送风口尺寸参数

3 模拟结果分析

3.1 计算数据的确定

根据参考文献[5]及我国规范相关规定，火灾中生命危险的计算数据如表1所示。由于该地下一层是作为办公场所使用的，为安全起见，冷空气高度取1.8m，安全疏散所需时间取5min。在计算和判断中，如果着火区域内冷空气层的高度低于1.8m，则距地板1.8m高度范围气体中的一氧化碳体积分数和温度等参数的极限值取热烟气层中的相应数值。

表1 生命危险的计算数据

3.2 结果的比较和分析

3.2.1 烟气运动模拟结果与分析

图3和图4分别是未设置排烟送风系统、设置排烟送风系统时烟气运动状况的模拟，取火灾发生后60s、120s、200s、300s四个时间点进行对比。

由图3可以看出，在未设置排烟送风的情况下，火灾产生的烟气蔓延迅速，到火灾发生60s时就蔓延到走廊的另一端。在120s时，北侧会议室开始有烟气进入，烟气继续流动，很快充满走廊，并开始向走廊南北两侧的房间内蔓延，先充满走廊最西端的两个房间，然后自西向东依次向其余房间弥漫。到200s时，该地下一层的所有房间内都有烟气的流动，烟气开始充满所有房间。至300s模拟结束时，整个地下一层烟雾弥漫，烟气完全充满所有房间。

由图4可以看出，在设置排烟送风的情况下，火灾烟气得到了有效的控制。在火灾发生60s时，仅仅在前台接待室内有烟气的运动，只有很少一部分烟气弥漫到走廊中，但很快被走廊西侧顶部的排烟机排出。在120s时，除前台接待室和办公室1以外，其余房间几乎没有烟气进入，烟气的运动范围仅仅局限于挡烟垂壁的西侧。到200s时，烟气才开始充满整个走廊，从图中可以看出，由于挡烟垂壁和走廊东侧顶部排烟机的隔烟、排烟作用，加上走廊下方送风机不断地送进新鲜的空气，西侧走廊内的烟气仍然比较稀薄，同时，由于会议室顶棚排烟机的作用，蔓延到会议室的烟气依然很少。至300s模拟结束时，烟气才弥漫到该地下一层的所有房间内，但是除西侧靠近着火点的几个房间外，其余房间内的烟气量依然比较有限。

图3 未设置排烟送风时烟气运动的模拟

图4 设置排烟送风时烟气运动的模拟

3.2.2 温度场模拟结果与分析

火灾发生后60s、120s、200s、300s四个时间点，在走廊中央Y=7.5m横断面处(即从东到西贯穿整个内走廊的横截面)，未设置排烟送风和设置排烟送风的温度场分布分别如图5、图6所示。

图5是未设置排烟送风时走廊中央Y=7.5m断面处温度场分布。到火灾发生120s时，由于热烟尘作用，断面左侧高度在1.8m以上区域的温度已经大于120 ℃，断面右侧大部分区域温度都在70 ℃左右，而靠近右侧楼梯通道处的温度却达到了90～100 ℃，如此高的温度，将给人员逃生带来极大的困难。到火灾发生300s时，走廊已经完全被烟气充满，绝大部分区域的温度达到了110 ℃以上，人员一旦暴露在这种温度下，将会在很短的时间内死亡。

图5 未设置排烟送风时走廊中央

图6 设置排烟送风时走廊中央

图6为设置了排烟送风时走廊中央Y=7.5m断面处温度场分布。到火灾发生120s时，在1.8m的高度上，只有挡烟垂壁西侧部分的温度达到50～70 ℃，大部分区域的温度在30～50 ℃之间，此温度不会给人员带来伤害。在挡烟垂壁的东侧，只有很少的烟气进入，该区域仍然保持20 ℃左右的常温。即使到300s时，在排烟机和送风机的共同作用下，挡烟垂壁东侧1.8m以下区域的温度仍然保持在45 ℃左右，在这种温度下，可以保证人员的疏散。

4 结论

排烟送风设施对于排出有毒气体、控制烟气流动、降低火场温度等至关重要，对于该地下一层1.0MW的火灾规模，13m3·s-1的排烟量和6.5m3·s-1的送风量能够提供有效的烟气控制效果。

在送风口位置的设计中，应当尽可能使送风方向不要正对最可能发生火灾的地点。对于普通的地下建筑，特别是对于拥有狭长走廊的地下建筑，设置挡烟垂壁是一种有效的控制烟气流动的方法，挡烟垂壁的高度应当在规范要求的不低于0.5m的基础上适当增大，力求有更好的限制烟气流动的效果。

[1] 孙金香,高伟.建筑物综合防火设计[M].天津:天津科技翻译出版公司,1994.

[2] 杨胜州,莫善军,潘迁宏.地下交通枢纽站火灾烟气控制数值模拟研究[J].中国安全生产科学技术,2012,8(12):48-52.

[3] 王媛,唐玲,雷成宝,等.基于FDS的地下商城火灾分析[J].消防科学与技术,2012,31(12):1280-1283.

[4] 梁晖,李天立.水下隧道火灾烟气数值模拟研究[J].武警学院学报,2012,28(10):11-12.

[5] 杜红.防排烟工程[M].北京:中国人民公安大学出版社,2003.

(责任编辑 李 蕾)

FDS-based Smoke Control Design in Underground Floor One of Comprehensive Buildings

LI Yan

(TangshanMunicipalFireBrigade,HebeiProvince063000,China)

This thesis uses FDS Version 4 to build up a detailed geometry model of a typical underground building to study the smoke exhaustion of the underground building. Taken into discussion in this thesis are two general fire sites, a site without ventilators and a site equipped with ventilators. Then it analyzes some key factors such as the smoke flow, temperature, and comes up with reasonable suggestions.

underground building; smoke control; FDS; fire protection design

2016-05-20

李岩(1978— )，女，河北唐山人，高级工程师。

D631.6

A

1008-2077(2017)02-0066-04